熊安迪

在討論機器人產(chǎn)業(yè)的時候，人們總是下意識地就把“機器人”定義在了常規(guī)大小機器人的范圍內(nèi)。但實際上，在機器人界還存在著一個不能忽視的特別分支——微型機器人。它們的個子雖小，但功能可不弱，尤其在關(guān)系到每個人的醫(yī)療健康領(lǐng)域中有著巨大的發(fā)展空間。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授Brad Nelson作為微型機器人方面的專家，出席了2018世界機器人大會并接受了本刊的專訪，為微型機器人的技術(shù)和應(yīng)用前景做出了解讀。

“機器人是一個涉及多維度專業(yè)的科技領(lǐng)域，微型機器人更是如此。它不僅需要機器人學(xué)的知識，還需要工程學(xué)、計算機科學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等方面的相關(guān)知識?！盉rad Nelson道出了微型機器人所涉及專業(yè)的多元性。

瑞士蘇黎士聯(lián)邦理工學(xué)院作為一所擁有160多年歷史的科技院校，已經(jīng)培養(yǎng)了很多杰出的科學(xué)家，也為Brad Nelson的研發(fā)團隊提供了強大的支撐。Brad Nelson的團隊在實驗室內(nèi)所做的事情包括力傳感和力學(xué)生物學(xué)在微型技術(shù)中的運行機制。人們知道機器人需要與現(xiàn)實世界產(chǎn)生交互，但微型技術(shù)中的交互卻很少為人所理解。Brad Nelson表示：“我們所做的就是嘗試去更好地理解這種交互，并對此進行建模和描述。”

他還指出，在微型機器人中，磁力學(xué)是很重要的一點，包括如何使用磁力進行驅(qū)動。此外，材料與制造也是制造這類機器人的關(guān)鍵。大型機器人上能夠裝配發(fā)動機、傳感器等多種裝置，但微型機器人體積非常小，必須從根本上思考所使用的材料及其之間的相互作用。

微型機器人改變醫(yī)療方式

微型機器人的應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域中最為先進。在過去10年中，醫(yī)療機器人的發(fā)展是非常成功的。

“現(xiàn)在全球不少醫(yī)院已經(jīng)在使用機械臂，有超過300萬個手術(shù)是通過達芬奇機械臂完成的?！盉rad Nelson告訴記者，他在網(wǎng)上看到過不少以機器人和機器人技術(shù)為賣點的醫(yī)院廣告?！霸谖鞣?，通過機器人進行手術(shù)已經(jīng)比較常見，并且正在進一步普及。”可以說，醫(yī)療是一個前景廣闊的機器人應(yīng)用領(lǐng)域。

而這種普及不僅限于機器設(shè)備。約翰·霍普金斯大學(xué)的Russ Taylor教授是醫(yī)療機器人非常重要的奠基人之一。他曾經(jīng)說過，“人類臨床醫(yī)生和基于計算機技術(shù)之間的協(xié)作將從根本上改變21世紀(jì)手術(shù)和介入醫(yī)學(xué)的操作方式，正如計算機技術(shù)改變20世紀(jì)的制造業(yè)一樣”。Brad Nelson對這句話也深表同意。他說：“機器人和計算機將改變醫(yī)學(xué)的方式。機器人除了對人們進行手術(shù)之外，還能夠采集醫(yī)療信息，跟蹤診斷結(jié)果，改進治療方法等?！?/p>

醫(yī)療機器人領(lǐng)域已經(jīng)取得了不少成就。商用的外科機器人主要涉及骨科、神經(jīng)科、心臟病科、腸胃病科和腫瘤科。中國在開發(fā)醫(yī)療機器人方面也非?；钴S，已經(jīng)有了很多商用上的成功案例。“醫(yī)療機器人技術(shù)往往具有很高的利潤率，”Brad Nelson表示。

微型機器人個子雖小但功能強大

早在多年前，科幻作品就探討過微型機器人?？茖W(xué)界也從相關(guān)的科幻電影當(dāng)中獲得了許多靈感上的啟發(fā)。但科幻電影不用顧及物理學(xué)和現(xiàn)實世界，也不用擔(dān)心制造過程中的材料技術(shù)，可以進行隨意的想象，而研發(fā)人員在做微型機器人時卻必須考慮這些問題。

微型機器人領(lǐng)域的研發(fā)比較消耗金錢，需要很多對該領(lǐng)域的公共投資。因此，需要確保在研發(fā)微型機器人的過程中，這個領(lǐng)域具備未來發(fā)展的商用潛力。如Brad Nelson所言，在研發(fā)人員開始進行微型機器人研發(fā)之前，需要思考自己的商業(yè)計劃，綜合考慮各項情況。

個頭小，是微型機器人最直觀的特點。但它們與常規(guī)大小機器人之間的差異遠不止于此。說到這一問題，Brad Nelson主要談到了三點：

“在微型機器人的研發(fā)中，首先要考慮的就是如何使其移動。如果將微型機器人放進一個人的身體當(dāng)中，使用發(fā)動機或者電池進行驅(qū)動是相當(dāng)困難的。我們能夠使用的一種方式就是磁力驅(qū)動。在緩慢變化的磁場中，人們會非常安全和舒適。關(guān)于磁力有兩件事需要了解。一是隨著磁場的增強和減弱，可以在類似鐵的磁體上創(chuàng)造磁力，使它們沿著一定的軌跡移動。二是可以通過旋轉(zhuǎn)磁場來轉(zhuǎn)動磁體，如同指南針中的指針，通過在小磁體上產(chǎn)生力和扭矩，使它們在人體中移動。微型機器人是在磁場環(huán)境下進行操作，這是與常規(guī)大小的機器人的區(qū)別之一。

“第二點差別是它在制造過程中所使用的都是如同計算機芯片一樣體積非常小的部件，主要是半導(dǎo)體材料。

“第三點差別是它可以應(yīng)用于生物成像技術(shù)，使人們清晰地看見一些肉眼難見的情況。”

他興奮地表示：“我們的研發(fā)首次展示出，可以采用毫米級的小型磁性設(shè)備并在3D空間中非常精準(zhǔn)地移動它們?！边@也是微型機器人技術(shù)首次到達這種級別的精確度。

微型機器人在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛

醫(yī)療領(lǐng)域中的機器人應(yīng)用不再僅限于常規(guī)型的機械臂。微型機器人也可以在這里大展拳腳。Brad Nelson介紹了其中幾項已經(jīng)取得了進展的應(yīng)用方向：

“首先，微型機器人可以應(yīng)用到眼科手術(shù)中。視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)非常精細，在眼部進行微型手術(shù)是一項非常艱巨的任務(wù)。因此我們考慮用微型機器人治療眼部疾病。其中一種疾病叫做眼部黃斑變性疾病。在發(fā)展中國家和發(fā)達國家，該疾病是失明的主要原因，而且?guī)缀?0%的人口都會患此病。但幸運的是，大約10到15年前開發(fā)出了一種治療方法，將藥物注射到眼睛中，能夠控制這種疾病的發(fā)展并且保持視力。很多人能夠從中受益，也有這樣的潛在需求。這也成為了我們在眼部疾病治療中使用微型機器人的動機。微型機器人可以被注射進入眼睛，在眼部游動到視網(wǎng)膜，然后直達變性的源位置，并非常精確地釋放藥物。這種方法有很多優(yōu)點，因此這幾年我們不斷研發(fā)磁力操縱系統(tǒng)，也在小型動物身上進行了實驗。我們開發(fā)了尺寸約為1/3毫米大小的微型機器人，將它放入細小的針頭中，能夠不帶異物感地注射到眼睛中，并且可以進行發(fā)絲級別的精細移動。

“它也可以應(yīng)用在心臟疾病的治療上。微型機器人無法被注射到心臟中，讓它在心臟中游動，因為心臟部位有太多的血流和物理阻礙。我們可以做的是采用導(dǎo)管，然后將導(dǎo)管的尖端磁化，使這個尖端成為類似微型機器人的存在，從而利用技術(shù)使導(dǎo)管在心臟中移動。在心臟疾病方面，我們正在做的是治療心律不齊。我們已經(jīng)做了一些臨床實驗，導(dǎo)管可以直接導(dǎo)入心臟里面，甚至可以觸碰各個地方以判斷這種心臟信號的產(chǎn)生是否正常，并且使心臟恢復(fù)正常的跳動節(jié)奏。外科醫(yī)生無需在患者旁邊就可以遠程操控機器為其進行手術(shù)，這也是未來醫(yī)療機器人的發(fā)展方向。

“類似的還有微型磁力驅(qū)動內(nèi)窺鏡，可以用來檢查腸胃?！?/p>

Brad Nelson團隊已經(jīng)能夠研發(fā)出這樣的技術(shù)以及能夠使物體發(fā)生移動的方式，但他們所希望做的不僅限于此，他們希望微型機器人還能夠執(zhí)行其他的任務(wù)。他們進行了一些實驗，發(fā)現(xiàn)了微型機器人還能夠應(yīng)用于基因轉(zhuǎn)染?！霸谂囵B(yǎng)皿中，特定的目標(biāo)細胞被口腔細胞樣本包圍著，左邊還有腎臟細胞的樣本。微型機器人可以被驅(qū)動，穿梭在這些細胞中并觸摸單獨的細胞。我們發(fā)現(xiàn)，可以將DNA附加到這些機器人身上，當(dāng)觸碰到每個單獨的細胞時，DNA會被轉(zhuǎn)移到細胞中。我們可以選擇我們需要的細胞，并通過微型機器人將我們所需要的基因直接傳遞給該特定細胞，從而實現(xiàn)基因轉(zhuǎn)染?！?/p>

Brad Nelson表示，研發(fā)人員通過微生物也能夠獲得一些微型機器人的靈感。

很多微生物，比如布氏錐蟲這種寄生蟲，它們很柔軟，能夠改變自己的形狀。它們能變成長條的形狀以便游動，在無需游動的時候又保持短粗的形狀。根據(jù)它，可以想象一種可以在某種情況下游動的裝置，然后可以觸發(fā)它使它停止游動，并將藥物在特定的位置釋放出來。理想的微型機器人也都是柔軟、靈活的，能夠根據(jù)環(huán)境做出不同反應(yīng)，改變自己的外觀。溫度、光照以及對諸如細菌的席位感應(yīng)等條件都會對它們產(chǎn)生影響。

“我們已經(jīng)能夠證明，現(xiàn)在使用一些內(nèi)部含有磁珠的特定智能聚合物，并照亮這些聚合物，微型機器人可以實現(xiàn)打開和關(guān)閉，移動和游動，以及調(diào)整至一個不會隨意移動的穩(wěn)定形態(tài)?！盉rad Nelson由此道出了材料選擇在微型機器人的研發(fā)制造非常關(guān)鍵的重要性?！拔⑿蜋C器人所使用的材料需要經(jīng)過嚴(yán)格的選擇。磁性材料和聚合物材料都需要具有生物適應(yīng)性，不會產(chǎn)生有害的副作用?！?/p>

微型機器人的未來發(fā)展方向

當(dāng)前微型機器人研發(fā)的重點是將從它們應(yīng)用到生物體上，并理解它們和環(huán)境的互動方式。

現(xiàn)在微型機器人還沒有真正應(yīng)用在人體內(nèi)。但Brad Nelson認(rèn)為，在未來5到10年中這種技術(shù)一定會在人體內(nèi)得以應(yīng)用，輔助進行藥物治療或者是疾病治療，尤其是在腦疾病治療和心臟動脈治療等方面。

微型機器人在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的研發(fā)也正在進行激烈的競爭，比一比誰能第一個用微型機器人成功地治療人類?！皺C器人在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用只是時間問題和對傳統(tǒng)觀念的突破問題，”Brad Nelson表示。

微型機器人在醫(yī)療中的應(yīng)用是為醫(yī)生服務(wù)的，很多醫(yī)生都在尋找相關(guān)的臨床應(yīng)用。但實際手術(shù)中的操作是非常復(fù)雜的，很多時候，研發(fā)者對實際的手術(shù)任務(wù)總是想得太簡單了。工程師和醫(yī)生思考問題的方式也有所差別。Brad Nelson告訴記者，對醫(yī)生而言，機器人材料的安全和生物兼容性以及機器人本身是否會傷害到病人是他們最大的擔(dān)心。因此，研發(fā)人員需要加強和醫(yī)生的溝通，以保證能夠?qū)κ中g(shù)有更好的了解。對研發(fā)者而言，真正了解手術(shù)如何進行，手術(shù)室如何運行，以及能否將微型機器人系統(tǒng)整合到手術(shù)之中是非常重要的問題。從實驗室走向真正的落地應(yīng)用的過程必須循序漸進，并且需要大量的時間進行試用。

在微型機器人上對聚合物和柔性材料的使用，其重要性如同它們對于柔性機器人一樣。3D納米打印的出現(xiàn)也為這個領(lǐng)域帶來了變化，使制造的結(jié)構(gòu)規(guī)模達到了從未預(yù)想到的規(guī)模級別。

Brad Nelson還特別指出了微型機器人在中國醫(yī)療中的發(fā)展?jié)摿?。“大量的人口意味著對醫(yī)療服務(wù)的大量需求。而機器人也許是進行治療的方式之一。醫(yī)療機器人技術(shù)已經(jīng)取得了一些進展，而且利潤空間很大?！?/p>

很多傳統(tǒng)醫(yī)療公司看到了這個領(lǐng)域的前景。但將想法變成現(xiàn)實還是需要很長的時間。因為將機器人注射到人體中確實涉及到很多非常復(fù)雜的問題。如果出現(xiàn)差錯，并不像掃地機器人出現(xiàn)差錯時那么容易進行處理。

微型機器人在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用必須通過所有醫(yī)療器械相關(guān)法規(guī)的審批，比如得到中國CFDA（國家市場監(jiān)督管理總局）認(rèn)證、美國FDA（食品藥品監(jiān)督管理局）認(rèn)證或者歐洲CE認(rèn)證。這需要花費很多的時間和資金，并且需要有遠見才能實現(xiàn)。

此外，微型機器人的商用也是一道難題。Brad Nelson表示：“它和傳統(tǒng)工業(yè)機器人和服務(wù)機器人是不太一樣的。我們希望這種通過機器人進行手術(shù)的方式能夠在全世界進行應(yīng)用，而不僅局限于一部分地區(qū)。因此，它的成本必須大幅度下降。對醫(yī)生的培訓(xùn)也是非常重要的，復(fù)雜的流程必須得到簡化，從而使得醫(yī)生能夠更快速地學(xué)習(xí)，然后進行遠程操作，最終幫助更多的患者治療疾病。”